Debris spatial


Debris spatial

Débris spatial

Test destiné à simuler l'impact d'un débris spatial dans un véhicule en orbite au centre de recherche de la NASA

Un débris spatial, dans le domaine de l'astronautique, est l'objet résiduaire d'une mission spatiale, se trouvant sur orbite[1]. Le terme correspondant en anglais est space debris.

La taille de ces débris peut varier de quelques millimètres à la taille d'un bus; les plus gros d'entre eux sont des morceaux de lanceurs spatiaux, des satellites inutilisés. Les débris plus petits sont de tailles variables, et peuvent provenir de pièces détachées de ces plus gros morceaux (parfois à la suite de leur explosion).

Ces débris présentent un danger pour les satellites en orbite et un risque de retombée au sol. En effet, ils vont à une grande vitesse et l'impact d'un débris, même petit, sur un satellite peut entraîner de gros dégâts; des satellites, les navettes américaines ou des stations spatiales comme Mir ou la Station Spatiale Internationale ont déjà dû, et devront être changés de trajectoire pour les éviter. Les navettes spatiales, doivent, de plus, changer un ou deux de leurs huit hublots après chaque mission[2]. Les temps de vie de ces débris sont également très différents, de l'ordre d'un an, d'une dizaine d'années, ou même de siècles pour les orbites les plus hautes. Leur nombre, en constante augmentation, est donc préoccupant, et c'est pour cette raison que différents organismes tentent de les répertorier.

Sommaire

Origine des débris

Répartition des débris selon leur origine[3].

Depuis Spoutnik 1, lancé le 4 octobre 1957, plus de 5 000 engins ont été expédiés dans l'espace par les diverses nations de la planète. Il s'agit autant de satellites placés sur l'une ou l'autre orbite terrestre (environ 4 800 en 2007 [4]) que de sondes qui ont quitté l'environnement immédiat de la Terre pour explorer la Lune ou les autres planètes. Lors de chacune de ces missions, un grand nombre de débris spatiaux sont générés.

Ces débris sont de différentes origines : les gros débris proviennent du lanceur lui-même, en général les derniers étages des fusées servant à placer en orbite les satellites. Les satellites ont souvent été abandonnés après leur panne ou leur mise à la retraite; en 2007, il était estimé que plus des trois quarts des 2 400 satellites encore en orbite n'étaient plus utilisés[4]. Ce chiffre pourrait cependant être à réviser, car certains satellites espions seraient répertoriés en tant que débris spatiaux, mais dans ce cas, seraient tout de même contrôlés[5].

Si l'on s'intéresse maintenant aux débris plus petits, de l'ordre du centimètre, on arrive déjà à plus de 200 000 objets répertoriés et on dépasse le million pour des débris de type « particules » de l'ordre du millimètre. Ils proviennent d'explosions[6], d'usure des fusées, navettes et satellites, ou sont des particules provenant des moteurs-fusées, des éclats de peinture...

Certains ont même été perdus par des astronautes, alors qu'ils effectuaient des opérations de montage et de réparation.

Tous ces débris, lorsqu'ils entrent en collision, génèrent d'autres débris plus petits.

Surveillance des débris spatiaux

Cartographie des principaux débris spatiaux en orbite terrestre basse
Cartographie vue d'au-delà de l'orbite géosynchrone

L'USSPACECOM tient à jour un catalogue contenant environ 15 000 objets[7] (de plus de 10 cm en orbite basse et de plus de 1 m en orbite géostationnaire), aussi dans le but de ne pas les confondre avec des missiles ennemis. Les observations collectées depuis plusieurs installations radars et télescopes, ainsi qu'un télescope spatial[8], sont utilisées pour entretenir ce catalogue. Cependant, la majorité des débris ne sont toujours pas observés. Selon l'Institute of Aerospace Systems de Braunschweig, il y aurait plus de 330 millions d'objets artificiels d'un diamètre d'au moins un millimètre en orbite terrestre[9].

Cet institut est à l'origine du modèle de distribution et de vitesse des débris nommé MASTER (Meteoroid And Space debris Terrestrial Environment Reference) et utilisé par l'ESA pour calculer les probabilités et directions de collision en orbite. L'agence européenne possède un catalogue de 26 000 débris qu'elle suit avec un réseau d'observatoires et de radars pour corroborer ce modèle.

Le satellite LDEF avant son déploiement par Challenger au-dessus de la Floride

Le retour sur Terre de matériel orbital est aussi une précieuse source d'informations sur l'environnement de débris de tailles submillimétriques. Le satellite LDEF, déployé par la mission STS-41-C Challenger et récupéré par STS-32 Columbia, a passé 68 mois en orbite. L'examen minutieux de sa surface a permis d'analyser la distribution directionnelle et la composition du flux de débris. Le satellite européen Eureca, déployé par STS-46 Atlantis et récupéré 326 jours plus tard par STS-57 Endeavour a révélé un millier d'impacts sur ses panneaux solaires et 71 sur son corps, de 100 µm à 6,4 mm[10].

Les remplacements des panneaux solaires du télescope spatial Hubble lors des missions STS-61 Endeavour et STS-109 Columbia apportèrent incidemment de nouvelles précisions pour le modèle d'environnement des débris spatiaux.

Le catalogue du North American aerospace defense (NORAD) qui est sans doute le plus complet qui existe au monde, fait état de plus de 9 000 objets de plus de 10 cm en orbite autour de la Terre (en 2006).

Diagramme de Gabbard

Diagramme de Gabbard des 300 débris issus de l'explosion du 3e étage d'une fusée Longue Marche, 5 mois après son lancement

Les groupes de débris issus de la désagrégation de satellites sont analysés grâce à un diagramme dit « de Gabbard » dans lequel le périgée et l'apogée de chaque débris est représenté en fonction de sa période orbitale. Les débris projetés dans le sens du déplacement orbital augmentent en apogée et en période, ils correspondent aux deux bras droits du X. Les débris projetés dans le sens rétrograde ont un périgée et une période diminués (les deux bras gauches du X). Les projections dans les directions perpendiculaires à l'orbite influent peu sur les caractéristiques de période, d'apogée et de périgée, les débris dans ce cas sont concentrés autour du centre de la croix[11].

L'étude de la distribution des éléments de ce diagramme permet aussi de déterminer les causes de la fragmentation[12].

Risques et protections contre les débris

Bien que nombreux, des accidents impliquant des débris spatiaux restent relativement faibles, à cause de l'immensité de l'espace.

Temps moyen entre deux impacts de débris supérieurs à une taille donnée, sur un objet d'une section de 100 m² [13]
400 km 800 km 1 500 km
>0,1 mm 4,5 jours 2,3 jours 0,9 jour
>1 mm 3,9 ans 1,0 an 1,5 ans
>1 cm 1 214 ans 245 ans 534 ans
>10 cm 16 392 ans 1 775 ans 3 109 ans

À titre d'exemple, la station spatiale internationale risque un impact avec un objet de plus d'un centimètre tous les soixante-dix ans; si l'on exclut de la surface de la station ses panneaux solaires, vastes, et dont la perte ne serait pas forcément grave, le risque tombe à un impact tous les trois siècles[14].

Un débris du troisième étage de Delta 2 retrouvé en Arabie saoudite le 21 janvier 2001

Protections en orbite

Selon leur taille, les fragments sont plus ou moins visibles, plus ou moins dangereux, et nécessitent différentes protections. Dans le cas des gros morceaux (supérieurs à 10 centimètres), la seule solution de conservation pour les satellites, navettes ou stations orbitales consiste à les éviter par un changement d'altitude. Ces manœuvres sont très coûteuses en carburant et diminuent d'autant la durée de vie des satellites; à titre d'exemple, lors de l'évitement par le satellite Spot-2 d'un débris provenant d'un lanceur Thor-Agena en juillet 1997, 400 grammes d'ergols ont été utilisés, alors que 150 grammes représentent sa consommation annuelle[15]. Pour autant, étant nécessaires, les manœuvres d'évitement ont déjà été appliquées à plusieurs reprises sur plusieurs types de satellites[16].

Les petites particules de moins d'un centimètre, très courantes, ne sont pas évitées, des blindages permettent de s'en protéger. Mais ces blindages alourdissent évidemment les véhicules spatiaux, diminuant leur charge utile, leur durée de vie, ou augmentant leur coût. Le dixième du poids de la station spatiale internationale est ainsi dû à son blindage[17] (soit une trentaine de tonnes en 2008). Les navettes spatiales, lorsqu'elles le peuvent, présentent dans le sens de leur marche leur ventre et leur arrière, plus résistants, plutôt que leur nez et bord d'attaque, où des impacts auraient plus de conséquences.

Le plus grand problème est posé par les débris de taille moyenne, entre un et dix centimètres, estimés à environ 200 000[18], qui ne sont pas catalogués alors qu'ils présentent un risque très important[19], et surtout pour lesquels il n'existe pas de protection.

Protections au sol

Les risques au sol sont nettement plus faibles, car la majeure partie des fragments entrant dans l'atmosphère sont carbonisés par la chaleur due aux frottements avec l'air. Pour autant, des débris de taille non négligeable sont parfois retrouvés sur Terre, et des prévisions sont faites régulièrement par les organismes de surveillance[20].

Mesures de préventions

Afin de réduire le risque de création de nouveaux débris spatiaux, plusieurs mesures ont été proposées, notamment par le Inter-Agency Space Debris Coordination Committee fondée en 1993 par les principales agences spatiales pour étudier le problème :

La passivation des étages supérieurs après utilisation par largage du carburant résiduel, pour limiter le risque d'une explosion des imbrûlés hypergoliques qui engendrerait des milliers de nouveaux débris. Ou encore la désorbitation rapide de ces étages supérieurs en utilisant ce carburant résiduel.

La désorbitation des satellites en fin de vie serait une mesure efficace, une telle manœuvre volontaire a déjà été faite avec succès pour le satellite français Spot-1 fin 2003, réduisant sa présence post-mortem en orbite de 200 à 15 ans[21]. Mais elle requiert parfois trop de carburant ou doit avoir lieu trop longtemps après la mise en orbite pour garantir son succès. Dans ces cas-là, elle pourrait être effectuée grâce à un câble électrodynamique déroulé depuis le satellite et qui le ralentirait et abaisserait son orbite jusqu'à une altitude où la traînée atmosphérique provoquerait rapidement la désorbitation[22]. Pour autant, aucune obligation n'est possible contre les sociétés gérant ces satellites : entre 1997 et 2000, 22 des 58 satellites géostationnaires ont été abandonnés, et 20 n'ont pas été réorbités correctement pour éviter tout risque[4].

Pour les altitudes où la désorbitation n'est pas économiquement envisageable, telle que l'orbite géostationnaire, le satellite est transféré vers une orbite de rebut où ne se trouve aucun engin opérationnel.

Plusieurs propositions ont été faites pour rabattre les débris vers l'atmosphère terrestre telles que des remorqueurs automatisés[23], un balai laser (pour détruire les particules ou les dévier vers une orbite plus basse), de gigantesques boules d'aérogel pour absorber les impacts et éventuellement précipiter les débris capturés vers l'atmosphère. Néanmoins, actuellement le principal effort est porté sur la prévention des collisions par la surveillance des plus gros débris et les mesures contre la création de nouveaux.

D'autres idées impliquent la création d'une « décharge » orbitale où seraient rassemblés les plus gros objets afin d'éviter les collisions et de stocker ces ressources de matériaux pour le futur.

Créations significatives de débris

De 1967 à 1988, l'Union Soviétique lança des satellites espions RORSAT alimentés par réacteur nucléaire. À la fin de leur mission, ils éjectaient leur cœur sur une orbite de plusieurs siècles de durée de vie. Durant et après cette éjection, des fuites de fluide caloporteur NaK se sont produites, dispersant des gouttes entre 850 et 1000 km d'altitude. Ces débris, au nombre d'environ 110 000, d'une taille allant jusqu'à 7 cm et d'une masse totale de 165 kg, représentent encore aujourd'hui un danger pour les objets en orbite basse (ils furent détectés par LDEF dont l'apogée était à 580 km)[24]. De plus, il est possible qu'ils aient percuté les radiateurs des RORSAT en orbite de rebut, provoquant de nouvelles fuites de NaK[25].

Trois accidents significatifs sont à noter: en décembre 1991, un satellite Kosmos aurait été été touché par l'un de ses jumeaux selon des informations américaines; le 24 juillet 1996, un fragment d'un troisième étage d'une fusée Ariane qui avait explosé en vol dix ans plus tôt a percuté le microsatellite français Cerise; le 17 janvier 2005, un étage d'une fusée Thor a été percuté par un débris chinois[26].

Une des plus grandes créations de débris ne fut pas accidentelle, elle est due à un essai de missile anti-satellite chinois en 2007. Il provoqua la création de 2300 débris de taille observable (i.e. de quelques centimètres, décompte de décembre 2007) et d'après les estimations, 35 000 débris d'au moins 1 cm et plus d'un million de débris d'au moins 1 mm. Cet événement est plus préjudiciable que les précédents essais de telles armes car il eut lieu à une altitude plus élevée (850 km) qui engendre une durée de présence en orbite d'au moins 35 ans. En juin 2007, le satellite Terra fut le premier à devoir être dévié pour lui éviter d'être touché par ces débris[27].

Un événement de magnitude similaire survint le 16 février 2007 quand le dernier étage d'un lanceur russe Briz-M explosa en orbite au-dessus de l'Australie. La fusée avait été lancée le 28 février 2006 transportant un satellite de communication Arabsat-4A, mais un dysfonctionnement l'empêcha d'achever la mise en orbite et il resta en orbite elliptique avec une grande quantité d'imbrûlés hypergoliques corrosifs. L'explosion fut photographiée par plusieurs astronomes, les observations radar n'ont pu établir précisément la trajectoire des débris à cause du caractère de leur orbite. Bien que d'une ampleur semblable au test chinois, le nuage de débris passe par une altitude moindre et une grande partie des 1100 débris identifiés retombèrent dans l'atmosphère rapidement[28],[29]. Une autre dislocation venait juste d'être observée le 14 février précédent[30], ce qui en fait trois en l'espace de deux mois. Il y en avait eu 8 dans l'année 2006, ce qui n'était jamais arrivé depuis 1993[31].

Le 10 février 2009, la collision entre les satellites Iridium-33 et Cosmos-2251 produisit un nombre important de débris[26].

Impacts de débris notables

Représentation de l'impact sur le satellite Cerise.

La première collision avec un débris catalogué remonte à 1996 et provoqua l'arrachement d'un bras du satellite militaire français Cerise[32].

Lottie Williams est la première et la seule personne à ce jour (septembre 2008) à avoir été touchée par un débris spatial d'origine humaine. Alors qu'elle se promenait dans un parc de Tulsa, Oklahoma, le 22 janvier 1997 à 3 h 30, elle remarqua une lueur dans le ciel qu'elle prit pour une étoile filante. Quelques minutes plus tard, elle fut frappée à l'épaule par un objet métallique sombre de 15 cm qui s'avéra plus tard être une pièce de réservoir d'une fusée Delta II lancée en 1996. Elle ne fut pas blessée[33].

Dans la culture populaire

  • Le manga Planetes, adapté en anime, relate les aventures d'une équipe de collecteurs de débris spatiaux
  • La série TV Dead Like Me commence par la mort du personnage principal, tuée par la chute de la lunette des toilettes de la station Mir
  • Dans l'épisode Déchets dans l'espace de la série télévisée des années 1970 UFO, alerte dans l'espace, le héros découvre un satellite extraterrestre dissimulé parmi les débris orbitant autour de la Terre
  • Dans le film d'animation WALL•E, une scène montre les deux personnages principaux quittant la Terre, entourée d'une ceinture de débris spatiaux

Notes et références

  • Fernand Alby, Jacques Arnould, André Debus, La pollution spatiale sous surveillance, Ellipses, 2007 (ISBN 978-2-7298-3395-4) 
  1. Droit français : arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales.
  2. La pollution spatiale sous surveillance, p. 68
  3. (fr) CP CNES, « Introduction aux débris spatiaux » sur http://debris-spatiaux.cnes.fr/, 27 février 2009. Consulté le 25 juillet 2009
  4. a , b  et c La pollution spatiale sous surveillance, p. 62
  5. (ja) Spy satellite data put online by U.S. scientists - publié le 21 mars 2006 dans The Yomiuri Shimbun
  6. des tests de destruction de satellites, lors d'opération militaire sont également une source de débris. La Chine, par exemple, a fait exploser un vieux satellite météorologique lors de l'essai d'un missile anti-satellite en janvier 2007, ce qui a provoqué la création de 2 250 débris répertoriés fin septembre 2007
  7. (en) [doc] USSTRATCOM Space Control and Space Surveillance, 2007, US Strategic Command. Consulté le 2007-14-01
  8. (en) MIT Lincoln Laboratory, « The Space-Based Visible Program », 1999. Consulté le 13 novembre 2006
  9. (en) Space Debris, 2005, Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme
  10. (en) R. Aceti & G. Drolshagen, « Micrometeorids ans Space Debris - The Eureca Post-Flight Analysis », 1994. Consulté le 17 novembre 2006
  11. (en) David S.F. Portree & Joseph P. Loftus Jr, « Orbital Debris: A Chronology », 1999. Consulté le 20 novembre 2006, page 13 [pdf]
  12. (en) Orbital Debris Program Office, « History of on-orbit satellite fragmentations, 13th Edition », 2004. Consulté le 20 novembre 2006, page 23 [pdf]
  13. (en) Update of the ESA Space Debris Mitigation Handbook, juillet 2002, chap. 1.3.3 (« Impact flux analysis for space vehicle design ») 
  14. La pollution spatiale sous surveillance, p. 69
  15. La pollution spatiale sous surveillance, p. 28
  16. Bonnal C, Alby F, Les débris spatiaux, Pour la Science, juillet 2008, p82-89
  17. La pollution spatiale sous surveillance, p. 75
  18. (fr) CP CNES, « Introduction aux débris spatiaux » sur http://debris-spatiaux.cnes.fr/, 26 février 2009. Consulté le 19 juillet 2009
  19. (fr) CP CNES, « Risques des débris spatiaux » sur http://debris-spatiaux.cnes.fr/, 27 février 2009. Consulté le 19 juillet 2009
  20. La pollution spatiale sous surveillance, p. 77
  21. (fr) CP CNES, « Pour un Espace propre : le CNES donne l'exemple avec la désorbitation de SPOT 1 » sur http://www.cnes.fr/, 13 novembre 2003. Consulté le 13 novembre 2006
  22. (en) Bill Christensen, « The Terminator Tether Aims to Clean Up Low Earth Orbit » sur http://www.space.com/, 17 novembre 2004. Consulté le 13 novembre 2006
  23. (fr) CNES, « Un projet innovant contre la pollution orbitale » sur http://www.cnes.fr/, 12 juillet 2005. Consulté le 17 novembre 2006
  24. (en) Leonard David, « Havoc in the Heavens: Soviet-Era Satellite's Leaky Reactor's Lethal Legacy », 2004, space.com. Consulté le 2008-06-17
  25. (en) A. Rossi, C. Pardini, L. Anselmo, A. Cordelli, P. Farinella, « Effect of the RORSAT NaK drops on the long term evolution of the space debris population », 1997, Consiglio nazionale delle ricerche. Consulté le 2008-06-17
  26. a  et b "La banlieue terrestre polluée par les débris spatiaux", article d'Hervé Morin, Le Monde, 15 février 2009.
  27. (en) Brian Berger, « NASA's Terra Satellite Moved to Avoid Chinese ASAT Debris », 2007, space.com. Consulté le 2007-12-13
  28. (en) Ker Than, « Rocket Explodes Over Australia, Showers Space with Debris », 2007, space.com. Consulté le 2007-12-13
  29. (en) Rocket explosion, 2007, space.com. Consulté le 2007-12-13
  30. (en) Dr T.S. Kelso, « Recent Debris Events », 2007, CelesTrak. Consulté le 2007-12-13
  31. (en) Jeff Hecht, « Spate of rocket break-ups creates new space junk », 2007, New Scientist Space. Consulté le 2007-12-13
  32. (en) Carolyn Fry, « CO2 prolongs life of space junk », 2005, BBC. Consulté le 2007-12-13
  33. (en) Space Junk Survivor, ABC News. Consulté le 2008-01-24

Voir aussi

Liens externes

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